Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

1 |

S t r o n a

Detektory promieniowania jonizującego

1. Promieniowanie jonizujące można wykrywać jedynie metodami pośrednimi.
2. Detektory promieniowania jonizującego rejestrują zmianę energii promieniowania na formę

mierzalną (reakcje chemiczne, światło, prąd elektryczny, ciepło).

3. Najwcześniejsze metody detekcji pojedynczych cząstek promieniowania jonizującego

polegały na obserwowaniu błysków świetlnych (tzw. scyntylacji) powstających w krysztale np.
blendy cynkowej lub diamentu pod wpływem bombardowania cząsteczkami alfa.

4. Rejestrację błysków przeprowadzano metodą wzrokową, za pomocą lupy. Ponieważ efekty

świetlne w tego typu ekranach scyntylacyjnych były zbyt słabe dla cząsteczek beta można
było nimi rejestrować, prócz wymienionych cząsteczek alfa co najwyżej protony. Dzięki tej
metodzie uzyskano podstawowe wiadomości dotyczące jądra atomowego.

5. Cząstki promieniowania mogą powodować powstawanie błysków świetlnych w niektórych

kryształach oraz jonizację gazów przez które przechodzą. Zjawisko to zostało wykorzystane
przez Rutherforda i Geigera w przyrządzie opisanym po raz pierwszy w 1908 roku. Był to tzw.
licznik jonizujący dla cząsteczek alfa.

Rodzaje detektorów

Ze względu na szybkość uzyskiwanych informacji rozróżnia się:

 detektory pasywne - zbierające informacje o przejściu wielu cząstek (wymagają dodatkowej

obróbki)

 detektory aktywne - w których informacja o przejściu cząstki pojawia się w postaci impulsu

elektrycznego natychmiast

Do detektorów pasywnych należą:

 emulsje jądrowe ;

 klisze rentgenowskie ;

 detektory luminescencyjne ;

 detektory dielektryczne ;

 detektory aktywacyjne ;

 detektory chemiczne ;

 Detektory pasywne są stosowane do pomiaru silnego promieniowania i w trudno dostępnych

miejscach (wnętrze reaktorów jądrowych, przestrzeń kosmiczna).

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

2 |

S t r o n a

Do detektorów aktywnych zalicza się:

1. Detektory gazowe zbudowane ze zbiornika ze specjalnym gazem i elektrod, do których jest
podłączone wysokie napięcie; wytworzone pole elektryczne powoduje dryf elektronów,
a w konsekwencji powstanie impulsu elektrycznego. Należą do nich:

 licznik Geigera – Müllera ;

 komora jonizacyjna ;

 komora proporcjonalna (licznik proporcjonalny) ;

 komora wielodrutowa (zazwyczaj komora proporcjonalna) ;

 komora iskrowa ;

 komora dryfowa .

2. Detektory półprzewodnikowe - podstawowym elementem jest złącze p-n spolaryzowane
w kierunku zaporowym,

3. licznik scyntylacyjny,

4. licznik Czerenkowa ,

5. Detektory promieniowania przejścia ,

6. Detektory kalorymetryczne (kalorymetry) ,

7. Grupa pośrednia .

Detektor

to urządzenie, którego działanie oparte jest na zjawiskach jonizacji zachodzącej

w gazach, cieczach i ciałach stałych.

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

3 |

S t r o n a

Dozymetry składają się z trzech głównych części:

• Detektora promieniowania (podstawowy element)

• Właściwego urządzenia pomiarowego

• Zasilacza

Detektory impulsowe

Kwanty lub cząsteczki jonizujące wytwarzają w detektorze krótkie impulsy elektryczne, ponieważ
posiadają one mała amplitudę należy je odpowiednio wzmocnić oraz znormalizować (wzmacniacz +
układ formujący)

Detektory prądowe

Jonizacja powoduje stały przepływ prądu. Ponieważ bezpośredni pomiar małego prądu jest bardzo
trudny, wzmacnia się go do wielkości mierzalnej przy pomocy zwykłego mikroamperomierza.

Ze względu na czynnik roboczy detektory promieniowania jądrowego można podzielić na:

Gazowe:

komora jonizacyjna, licznik proporcjonalności, licznik Geigera – Müllera, komora dryfowa,

komora Wilsona, komora iskrowa, komora pęcherzykowa

Oparte na ciele stałym:

detektor scyntylacyjny (detektory z scyntylatorami organicznymi i

nieorganicznymi opartymi na kryształach np. NaI, CsI, ZnS)

Detektor półprzewodnikowy:

detektor Czerenkowa, płyta fotograficzna (emulsja jądrowa).

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

4 |

S t r o n a

Detektory gazowe

1. Są to detektory cząstek naładowanych, w których materiałem roboczym jest gaz.
2. Cząstka naładowana przechodząc przez gaz jonizuje go - odrywa elektrony od atomów.

Elektrony następnie docierają do anody, co powoduje wytworzenie sygnału elektrycznego
rejestrowanego w elektronicznym systemie detekcji. Napięcie, przy którym zachodzi to
zjawisko nazywamy napięciem nasycenia. W jego obszarze pracuje komora jonizacyjna.

3. Większość detektorów gazowych wykorzystuje mechanizm wzmocnienia gazowego -

powielenia pierwotnych elektronów w silnym polu elektrycznym.

4. Detektory gazowe charakteryzuje stosunkowo niewielka gęstość, dzięki czemu w małym

stopniu zaburzają tor lotu cząstek.

Komora jonizacyjna

Jest to jeden z najprostszych detektorów jonizacyjnych. Jest kondensatorem gazowy, do którego
okładek przyłożone jest niezbyt wysokie napięcie (50-500 V), tak by nie spowodować wzmocnienia
gazowego. Napięcie nie może też być zbyt niskie, ponieważ elektrony i jony dodatnie ulegałyby
rekombinacji. Cząstka jonizująca przechodząca przez komorę jonizuje gaz. Powstałe w ten sposób
ładunki dryfują wzdłuż linii sił pola elektrycznego - elektrony do anody, jony dodatnie do katody. Po
dotarciu do elektrod ładunki powodują przepływ prądu, który jest następnie rejestrowany.

Zastosowanie komór jonizacyjnych

 Pomiar aktywności preparatów alfa, beta i gamma-promieniotwórczych

 Dawkomierze promieniowania X i gamma

 Wzorcowe komory powietrzne do pomiarów bezwzględnych opartych na jednostce rentgen

 Przyrządy do pomiarów spektrometrycznych

 Detektory promieniowania neutronowego

 Aparaty do kontroli skażeń

 sygnał wyjściowy proporcjonalny do energii cząstki (identyfikacja energii oraz rodzaju cząstki)

 detekcja silnego promieniowania >10keV

 okienko dla cząstek alfa oraz beta

 wykorzystywanym ośrodkiem jest powietrze

 skonstruowana z równoległych płyt bądź z cylindra i umieszczonej wewnątrz elektrody

 możliwość detekcji neutronów

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

5 |

S t r o n a

Liczniki proporcjonalne

Są to gazowe detektor promieniowania jonizującego pracujące w zakresie napięć, dla których
występuje zjawisko wzmocnienia gazowego, czyli proporcjonalnego wzrostu ładunku docierającego
do elektrody względem ładunku jonizacji pierwotnej. Zjawisko to występuje wokół anody wykonanej
z cienkiego napiętego drutu, wokół którego wytwarzane jest silne pole elektryczne. Elektrony
przyspieszane w polu elektrycznym osiągają energię wystarczającą do wywołania jonizacji wtórnej.
Jeden elektron powoduje powstanie lawiny elektronów wtórnych, jonów dodatnich i pewnej liczby
wzbudzonych atomów i cząsteczek. Maksymalna wartość współczynnika wzmocnienia zależy od
właściwości gazu oraz od gęstości jonizacji pierwotnej.

Zastosowanie liczników proporcjonalnych



Liczniki do pomiarów aktywności preparatów alfa, beta i gamma-promieniotwórczych



Liczniki do pomiarów spektrometrycznych promieniowania X



Detektory promieniowania neutronowego

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

6 |

S t r o n a

Licznik Geigera-Müllera

Jest to kondensator cylindryczny wypełniony gazem szlachetnym z domieszką gazów
wieloatomowych (argon, neon). Katodę stanowią zewnętrzne ścianki, anodę cienki drut wykonany z
wolframu przebiegający w osi symetrii.

Wokół anody istnieje silne, niejednorodne pole elektryczne wywołane przyłożonym napięciem.
Pojawienie się w tym obszarze swobodnego elektronu w wyniku przejścia cząstki jonizującej inicjuje
wyładowanie elektryczne. Ilość wytworzonych podczas wyładowania elektronów swobodnych zależy
wyłącznie od parametrów detektora, nie zależy od energii cząstki, która wywołuje jonizację.
Wyładowanie jest gaszone dzięki domieszkom wieloatomowych cząstek organicznych lub poprzez
obniżenie napięcia.



liczba elektronów jest niezależna od napięcia na elektrodach



identyfikacja rodzaju promieniowania jest niemożliwa



dostarcza informacji jedynie o ilości cząstek



dodatnie jony gromadzące się przy jednej z elektrod powodują spadek napięcia (a tym
samym natężenia pola)



ograniczony czas działania z uwagi na degradacje gazu



duża czułość, możliwość detekcji słabego promieniowania



prosty układ zliczający

Liczniki GM rejestrują tylko fakt przejścia cząstki, natomiast nie udzielają informacji o energii, czy też
rodzaju przechodzącej cząstki. Stosuje się je w prostych układach detekcyjnych, do rejestracji
promieniowania alfa i beta, beta i gamma lub tylko gamma.

Zastosowanie liczników GM



Liczniki do pomiarów aktywności preparatów alfa, beta i gamma-promieniotwórczych



Liczniki promieniowania X



Układy monitorowe

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

7 |

S t r o n a

Detektory scyntylacyjne

Zbudowane są z:

-

scyntylatora (w którym cząstka promieniowania jonizującego wywołuje luminescencje),

-

fotopowielacza (zamieniającego błysk światła w sygnał elektryczny)

-

światłowodu (doprowadzającego błysk scyntylacji do fotopowielacza) oraz układu rejestracji
sygnału

1. Ze względu na budowę można podzielić na trzy części: scyntylator, w którym padające

promieniowanie jonizujące powoduje przejście elektronów do stanu wyższego, a następnie
przy przejściu elektronów do stanu niższego następuje emisja fotonu z pasma światła
widzialnego. Następnie foton ten trafia na fotokatodę powodując powstanie elektronów. Te
przyspieszane polem elektrycznym trafiają na kolejne dynody. Na każdej z dynod następuje
powielenie elektronów. Typowy układ składa się z 15 dynod.

2. Wzmocnienie sygnału może dochodzić do 106 razy (lub nawet więcej). Różnica potencjałów

pomiędzy kolejnymi dynodami wynosi od 80 do 120 V.

3. Absorpcja promieniowania w scyntylatorze powodująca wzbudzenie i jonizację.
4. Przetwarzanie rozproszonej energii na energię świetlną (luminescencja).
5. Przejście fotonów świetlnych do fotokatody powielacza fotoelektronowego.
6. Absorpcja fotonów światła na powierzchni fotokatody i emisja fotoelektronów.
7. Zwielokrotnienie elektronów we wnętrzu fotopowielacza.
8. Analiza impulsu prądowego.

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

8 |

S t r o n a

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

9 |

S t r o n a

Zastosowanie scyntylatorów

• liczniki cząstek alfa, beta, gamma i neutronów

• pomiar widm energetycznych badanego promieniowania

• Pomiary wielkości absorbowanej energii promieniowania (dozymetria)

Porównanie licznika GM i scyntylatora

 Zalety scyntylatorów:

-

praca przy większej częstotliwości impulsów i krótszym czasem rozdzielczym

-

duża gęstość oraz duża absorpcja a w rezultacie duża wydajność

-

zdolność rozróżniania dużej liczby typów promieniowania, przydatność do pomiarów energii
cząstek oraz różnorodność kształtów i wymiarów detektora

 Zalety liczników GM:

-

Tańsze

-

Wymagają mniej dokładnej stabilizacji napięcia

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

10 |

S t r o n a

Detektory półprzewodnikowe

To elektroniczne (czynne) detektory promieniowania jonizującego zbudowane z materiału
półprzewodnikowego (półprzewodniki). Detektor półprzewodnikowy jest dużą diodą spolaryzowaną
zaporowo.

• Liczniki półprzewodnikowe w swoim działaniu przypominają komory jonizacyjne.

• Różnica polega na tym, ze nie powstają w nich pary elektron-jon, lecz pary elektron-dziura.

• Dużą zaletą liczników półprzewodnikowych jest ich duża dokładność oraz rozdzielczość

energetyczna.

• Dzięki temu możliwe jest bardzo dokładne rozróżnienie energii cząstek.

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

11 |

S t r o n a

Detektory śladowe

Komora Wilsona (mgłowa)

Działanie komory mgłowej oparte jest na właściwości skraplania się cząsteczek pary nasyconej
i przesyconej. W idealnie czystym gazie para nie ulega skropleniu pomimo uzyskania stanu nasycenia,
a nawet uzyskania temperatury niższej od temperatury nasycenia. Kondensacja następuje tylko na
centrach kondensacji, którymi są cząsteczki pyłów lub jony. W komorze Wilsona nie ma pyłów,
dlatego skraplanie następuje tylko na jonach powstałych w wyniku jonizacji pary wzdłuż toru przelotu
cząstki jonizującej. Powstałe w ten sposób krople cieczy tworzą charakterystyczne ślady i mogą być
obserwowane lub fotografowane.

Komora iskrowa

Obserwowane są w niej wyładowania wzdłuż toru cząstki. Wygaszanie wyładowań przez obniżenie
napięcia (ogromny czas martwy) Komorę iskrową stosuje się praktycznie wyłącznie do demonstracji
dla szerokiej publiczności (pokazy promieniowania kosmicznego)-bardzo efektowny detektor
"multimedialny".